Электрическое поле на поверхности погруженного в плазму металлического электрода при большом отрицательном потенциале (2022)
Найдено аналитическое решение уравнения Пуассона для расчета электрического поля на поверхности электрода, погруженного в однородную неизотермическую бесстолкновительную плазму, состоящую из электронов и однозарядных ионов с зарядом e, с температурой электронов Te, при больших значениях отрицательного электрического потенциала , когда параметр |e| / Te >> 1. Установлено, что размер слоя L плазмы с нарушенной квазинейтральностью вблизи высокопотенциального электрода увеличивается по сравнению с радиусом Дебая rD пропорционально параметру [e / 2Te]3/4 , L = rD [e / 2Te]3/4. Показано, что в лабораторной плазме с плотностью в интервале значений 10101013 см3 и температурой электронов от 1 до 10 эВ при больших значениях потенциала и параметра e/Te >> 1 электрическое поле, рассчитанное по полученной формуле E = | L вблизи поверхности погруженного в плазму электрода, от 20 до 200 раз меньше значений полей, рассчитанных по классической формуле E = | rD, полученной при малых потенциала и при значениях параметра e / Te << 1.
An analytical solution of the Poisson equation is found for calculating the electric field on the surface of an electrode immersed in a homogeneous non-isothermal collisionless plasma consisting of electrons and single-charged ions with charge e, with electron temperature Te, at large values of negative electric potential , when the parameter |e|/Te >> 1. It is established that the size of the plasma layer L with disturbed quasi-neutrality near the high-potential electrode increases in com-parison with the Debye radius rD in proportion to the parameter [e/2Te]3/4, L= rD [e/2Te]3/4. It is shown that in a laboratory plasma with a density in the range of 10101013 cm3 and an electron temperature from 1eV to 10 eV at high values of the potential and parameter e/Te >> 1, the elec-tric field calculated by the obtained formula E = |L near the surface of the electrode immersed in plasma, from 20 to 200 times less than the values of the fields calculated by the classical formula E = |rD, obtained at low potentials and at the values of the parameter e/Te << 1.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- Префикс DOI
- 10.51368/2307-4469-2022-10-4-343-350
- eLIBRARY ID
- 49432930
Получены аналитические формулы для расчета электрического поля E0 на поверхности электрода в плазме при больших значениях отрицательного электрического потенциала, когда параметр e0/Te >> 1. Анализ формулы для нахождения электрического поля на поверхности электрода показывает, что размер модифицированного дебаевского слоя L плазмы с нарушенной квазинейтральностью вблизи высокопотенциального отрицательного электрода увеличивается по сравнению с радиусом Дебая пропорционально параметру [e0/2Te]3/4, что может составлять умножающий фактор до 200 раз. Рассчитаны конкретные значения электрического поля на поверхности отрицательного электрода в плазме, выведена формула для определения размера модифицированного дебаевского слоя с нарушением квазинейтральности и его характерное время установления вблизи электрода при отрицательных потенциалах от 10 В до 10 кВ для плотности плазмы в интервале значений 10101013 см3 при темпера-туре электронов от 1 до 10 эВ. Расчеты также показывают, что при достаточно высоких значениях параметров лабораторной плазмы ne 1013 см3 и Te 10 эВ, электрическое поле вблизи поверхности погруженного в плазму электрода составляют величину около 75 кВ/см при значении потенциала электрода 10 кВ, что существенно ниже значений поля, рассчитанного по классической формуле (13,5 МВ/см), полученной при e0/Te << 1. При этом увеличение значения потенциала в 1000 раз от 10 В до 10000 В приводит к слабому росту электрического поля E0 [e0/Te]1/4 на поверхности электрода всего в несколько раз, при этом размер модифицированного дебаевского слоя L разделения зарядов вблизи электрода при больших значениях потенциалов e0/Te >> 1 может значительно (до 200 раз) превышать размер радиуса
Дебая rD, также как время установления слоя и распределения частиц в нем существенно увеличивается по сравнению со случаем, когда e0/Te << 1. Анализ формулы (15) показывает также, что она дает правильное значение электрического поля на поверхности погруженного в плазму электрода, совпадающие с классической формулой (16), уже при e0/Te 2, что оправдывает в некоторой степени применение классической формулы для расчета плавающего потенциала электрода в плазме, в которой параметр e0/Te 3 для водородной плазмы.
Список литературы
- Райзер Ю. П. Физика газового разряда. Изд. 2-е, доп. и перераб. – М.: Наука, 1992.
- Лозанский Э. Д., Фирсов О. Б. Теория искры. – М.: Атомиздат, 1975.
- Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде.– Новосибирск: Наука, 1982.
- Месяц Г. А., Проскуровский Д. И. Импульсный электрический разряд в вакууме. – Новосибирск: Наука, 1984.
- Энгель А. Ионизованные газы. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.
- Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотый пробой в газах. – М.: МИР, 1969.
- Vacuum Arcs: Theory and Application. (J. M. Lafferty). – New York: Wiley, 1980.
- Месяц Г. А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. – М.: Наука, 2000.
- Иванов В. А. Динамика плазмы в сильных СВЧ-полях. Введение в курс. – М.: НИЯУ МИФИ, 2019.
- Ivanov V. A., Sakharov A. S., Konyzhev M. E. // Plasma Physics Reports. 2008. Vol. 34. № 2. P. 150.
- Ivanov V. A., Sakharov A. S., Konyzhev M. E. // Plasma Physics Reports. 2016. Vol. 42. № 6. P. 619.
- Ivanov V. A., Konyzhev M. E., Dorofeyuk A. A., Kamolova T. I. // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1647. Р. 012018. DOI:10.1088/1742-6596/1647/1/012018 (IOP Publishing).
- Ivanov V. A., Konyzhev M. E., Kuksenova L. I., Lapteva V. G., Sakharov A. S., Kamolova T. I., Dorofeyuk A. A., Satunin S. N. // Plasma Physics Reports. 2010. Vol. 36. № 13. P. 1241.
- Куксенова Л. И., Лаптева В. Г., Иванов В. А., Коныжев М. Е. // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2009. № 5. С. 10.
- Иванов В. А., Коныжев М. Е. Куксенова Л. И., Лаптева В. Г., Хренникова И. А. // Трение и износ. 2009. Т. 30. № 4. С. 396.
- Димитрович Д. А., Бычков А. И., Иванов В. А. // Прикладная физика. 2009. № 2. С. 35.
- Ivanov V. A., Konyzhev M. E., Kuksenova L. I., Lap-teva V. G., Khrennikova I. A. // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2015. Vol. 44. № 4. P. 384.
- Ivanov V. A., Sakharov A. S., Konyzhev M. E., Kamolova T. I., Dorofeyuk A. A., Kuksenova L. I. // Journal of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 907. P. 012023. DOI: 10.1088/1742-6596/907/1/012023
- Ivanov V. A., Konyzhev M. E., Kamolova T. I., Dorofeyuk A. A. // Plasma Physics Reports. 2021. Vol. 47. № 6. P. 603. DOI: 10.1134/S1063780X21060076
- Gabovich M. D., Pleshivtsev N. V., Semashko N. N. Ion and Atomic Beams for Controlled Fusin and Technology. Translated from Russian by D.H. McNeill. – New York and London: Consultants Bureau, 1988.
- ITER Documentation Series. № 29. IV. Plasma Facing Materials. – Vienna: IAEA. 1991. Pp. 247–266.
- Behrich R., Ehremberg J. // Journal of Nuclear Materi-als. 1988. Vol. 155–157. Part 1. P. 95.
- Плешивцев Н. В., Бажин А. И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. – М.: Вузовская книга, 1998.
- Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.
- Голант В. Е., Жилинский А. П., Сахаров С. А. Основы физики плазмы. – М.: Атомиздат, 1977.
- Биттенкорт Ж. А. Основы физики плазмы / пер. с англ. / под общ. ред. Л. М. Зеленого. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.
- Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. – М.: Атомиздат, 1969.
- Диагностика плазмы. / под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. – М.: Издательство «МИР», 1967.
- Plasma Diagnostic Nechniques. (Richard H. Huuddle-stone and Stanly L. Leonard). Plasma Reseaech Laboratory, Aerospace Corporation. Los Angeles, California. Academic Press. New York London, 1965.
- Bohm D. I book “The Characteristics of the Electrical Discharges in Magnetic Fields” (Chapter 3). Ed. A. Guthrie, R. K. Wakerling. – New York, 1949.
- Yu. P. Raiser, Gas Discharge Physics. (Springer, Berlin, New York, 1997).
- E. D. Lozansky and O. B. Firsov, The Theory of the Spark. (Atomizdat, Moscow, 1975) [in Russian].
- Yu. D. Korolev and G. A. Mesyats, Field emission and explosive processes in a gas discharge. (Nauka, Novosibirsk, 1982) [in Russian].
- G. A. Mesyats and D. I. Proskurovsky, Pulsed Electrical Discharge in Vacuum. (Springer Verlag, Berlin, 1989).
- A. Von Engel, Ionized Gases. (Clarendon Press, Oxford, 1955).
- A. D. MacDonald, Microwave Breakdown of Gases. (John Wiley & Sons, Inc., New York, 1966).
- Vacuum Arcs: Theory and Application, Ed. by J. M. Laf-ferty. (Wiley, New York, 1980).
- G. A. Mesyats, Ectons in vacuum discharge: breakdown, spark, arc. (Nauka, Moscow, 2000) [in Russian].
- V. A. Ivanov, Dynamics of plasma in strong microwave fields. (National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, 2019) [in Russian].
- V. A. Ivanov, A. S. Sakharov, and M. E. Konyzhev, Plasma Physics Reports 34 (2), 150 (2008).
- V. A. Ivanov, A. S. Sakharov, and M. E. Konyzhev, Plasma Physics Reports 42 (6), 619 (2016).
- V. A. Ivanov, M. E. Konyzhev, A. A. Dorofeyuk, and T. I. Kamolova, Journal of Physics: Conference Series, 1647, 012018 (2020). DOI: 10.1088/1742-6596/1647/1/012018 (IOP Publishing).
- V. A. Ivanov, M. E. Konyzhev, L. I. Kuksenova, V. G. Lapteva, A. S. Sakharov, T. I. Kamolova, A. A. Dorofeyuk, and S. N. Satunin, Plasma Physics Reports 36 (13), 1241 (2010).
- L. I. Kuksenova, V. G. Lapteva, V. A. Ivanov, and M. E. Konizhev, Friction and lubrication in machines and mecha-nisms, No. 5, 10 (2009) [in Russian].
- V. A. Ivanov, M. E. Konizhev, L. I. Kuksenova, V. G. Lapteva, and I. A. Khrennikova, Friction and wear 30 (4), 396 (2009) [in Russian].
- D. A. Dimitrovich, A. I. Bychkov, and V. A. Ivanov, Applied Physics, No. 2, 35 (2009) [in Russian].
- V. A. Ivanov, M. E. Konyzhev, L. I. Kuksenova, V. G. Lapteva, and I. A. Khrennikova, Journal of Machinery Manufacture and Reliability 44 (4), 384 (2015).
- V. A. Ivanov, A. S. Sakharov, M. E. Konyzhev, T. I. Kamolova, A. A. Dorofeyuk, and L. I. Kuksenova, Journal of Phys-ics: Conf. Series 907, 012023 (2017). DOI: 10.1088/1742-6596/907/1/012023
- V. A. Ivanov, M. E. Konyzhev, T. I. Kamolova, and A. A. Dorofeyuk, Plasma Physics Reports 47 (6), 603 (2021). DOI: 10.1134/S1063780X21060076
- M. D. Gabovich, N. V. Pleshivtsev, and N. N. Semashko, Ion and Atomic Beams for Controlled Fusin and Technology. Translated from Russian by D.H. McNeill. (Consultants Bureau, New York and London, 1988).
- ITER Documentation Series, No. 29. IV. Plasma Facing Materials. (IAEA, Vienna, 1991). Pp. 247–266.
- R. Behrich, Journal of Nuclear Materials 155–157, part 1, 95 (1988).
- N. V. Pleshivtsev and A. I. Bazhin, Physics of ion beams effects on materials. (University Book, Moscow, 1988) [in Russian].
- A. I. Morozov, Introduction to plasmodynamics. (FIZMATLIT, Moscow, 2006) [in Russian].
- V. E. Golant, A. P. Zhilinsky, and S. A. Sakharov, Fun-damentals of Plasma Physics. (Atomizdat, Moscow, 1977) [in Russian].
- J. A. Bittencourt, Fundamentals of Plasma Physics. (Springer Science+Business Media, New York, 2004). DOI: 10.1007/978-1-4757-4030-1
- O. V. Kozlov, Electric probe in plasma. (Atomizdat, Moscow, 1969) [in Russian].
- Plasma diagnostics. Edited by R. Huddlestone and S. Leonard. (MIR Publishing House, Moscow, 1967).
- Plasma Diagnostic Nechniques. Edited by R. H. Huud-dlestone and S. L. Leonard. (Plasma Reseaech Laboratory, Aerospace Corporation. Los Angeles, California. Academic Press. New York London, 1965).
- D. I. Bohm, I book “The Characteristics of the Electrical Discharges in Magnetic Fields” (Chapter 3). Ed. A. Guthrie, R. K. Wakerling. (New York, 1949).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Лебедев Ю. А., Шахатов В. А.
Разложение СО2 в тлеющем разряде (аналитический обзор) 323
Иванов В. А.
Электрическое поле на поверхности погруженного в плазму металлического электрода при большом отрицательном потенциале 343
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Бурлаков И. Д., Кузнецов С. А., Яковлев А. Ю.
Современные тенденции развития фотоэлектроники (Обзор материалов XXVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения) 351
Болтарь К. О., Лопухин А. А., Власов П. В., Яковлева Н. И.
Фотоприемные устройства на основе гомо- и гетероструктур двойных и тройных соединений группы антимонидов 381
Сотникова Г. Ю., Александров С. А., Гаврилов Г. А.
Средневолновая ИК-пирометрия с использованием фотодиодов на основе InAs и InAsSb (обзор) 389
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Гавриш С. В., Логинов В. В., Пучнина С. В., Ушаков Р. М.
Влияние структурного совершенства сапфира на оптические характеристики оболочки импульсной газоразрядной лампы 404
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Денисов Д. Г., Патрикеева А. А., Морозов А. Б.
Высокоточный метод аттестации параметров формы крупногабаритных полированных плоских оптических изделий на основе расчёта и анализа спектральной плотности корреляционной функции 411
C O N T E N T S
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
Yu. A. Lebedev and V. A. Shakhatov
Decomposition of CO2 in a glow discharge (analytical review) 323
V. A. Ivanov
Electric field on the surface of a metal electrode immersed in plasma at a high negative potential 343
PHOTOELECTRONICS
I. D. Burlakov, S. A. Kuznetsov, and A. Yu. Yakovlev
Current trends in the development of photoelectronics (Review of the materials of the XXVI International scientific and technical conference on photoelectronics and night vision devices) 351
K. O. Boltar, A. A. Lopuhin, P. V. Vlasov, and N. I. Iakovleva
Homo- and heterostructures based on the binary and ternary alloys of antimonide group semiconductors 381
G. Yu. Sotnikova, S. E. Alexandrovand, and G. A. Gavrilov
Mid- Infrared Pyrometry based on InAs and InAsSb Photodiodes (a review) 389
PHYSICAL SCIENCE OF MATERIALS
S. V. Gavrish, V. V. Loginov, S. V. Puchnina, and R. M. Ushakov
Influence of the structural perfection of sapphire on the optical characteristics of the shell of a pulsed discharge lamp 404
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
D. G. Denisov, A. A. Patrikeeva, and A. B. Morozov
A high-precision method for attesting the shape parameters of large-sized polished flat optical products based on the calculation and analysis of the spectral density of the correlation function 411
Другие статьи выпуска
В работе рассматривается возможность описания средне- и мелкоструктурных неоднородностей профилей поверхностей крупногабаритных оптических изделий, используя двумерную спектральную плотность корреляционной функции (СПКФ). Предложен метод измерения амплитудных значений пространственных неоднородностей в широком спектральном диапазоне, на основе теоремы Парсеваля и Винера-Хинчина, используя алгоритм приведения двумерной функции СПКФ к одномерному виду. Данный метод позволяет сравнивать измеренную функцию СПКФ с теоретически рассчитанной и указанной в техническом задании на изготовление оптической детали, а также выдвигать требования на аппаратуру контроля. В статье представлено математическое описание метода приведения двумерной функции СПКФ к одномерному виду функции и предложен алгоритм программного обеспечения, разработанного для реализации данного метода приведения функции СПКФ, и его апробация как на математических моделях поверхностей, так и на результатах экспериментальных измерений.
Приведены результаты исследований влияния на оптическое пропускание дефектов структуры сапфировой трубы, выращенной по методу А. В. Степанова, изменения прозрачности монокристалла после механической обработки поверхности и воздействия ультрафиолетового и радиационных облучений.
Представлен обзор современного состояния мирового рынка пирометров промышленного назначения. Приводятся технические характеристики макетов специализированных пирометров, разработанных в лабораториях ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и реализованных на отечественной элементной базе фотоприемников.
Предложена конструкция универсального пирометрического сенсора на основе неохлаждаемых одно и двухспектральных фотодиодных сэндвич-структур с максимумами спектральной чувствительности в средневолновый (MWIR) области спектра.
Отработаны алгоритмы градуировки и калибровки пирометров на исследуемый объект, что позволяет минимизировать методические составляющие погрешности при измерении истинной температуры объекта с неизвестными/изменяющимися значениями излучательной способности.
Показано, что пирометры на основе неохлаждаемых иммерсионных InAs и InAsSb фотодиодов по совокупности параметров быстродействие, точность, чувствительность и диапазон измерения температуры соответствуют лучшим образцам ИК-радиационных термометров, представленных на мировом рынке.
Исследованы фотоприемные устройства (ФПУ), детектирующие излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, изготовленные на основе многослойных структур антимонидов с поглощающими слоями InSb, AlxIn1-xSb и InAs1-xSbx в том числе структуры с барьерными слоями InAlSb (InSb/InAlSb/InSb) и InAsSb (InAsSb/AlAsSb/InAsSb), предназначенные для оптико-электронных систем и приборных комплексов. Изготовлены фоточувствительные элементы (ФЧЭ) различной топологии, показано, что широкозонные тройные растворы AlxIn1-xSb и InAs1-xSbx, являются альтернативой узкозонному бинарному соединению InSb, поскольку фотодиоды на их основе имеют меньшие темновые токи, а, следовательно, шу-мы. Рассчитаны средние значения обнаружительной способности и эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) ФПУ, изготовленных на основе матриц фоточувствитель-ных элементов (МФЧЭ) различной топологии.
25–27 мая 2022 года в Государственном научном центре Российской Федерации Акционерном обществе «НПО «Орион» состоялась XXVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения.
Приведен аналитический обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований разложения углекислого газа в тлеющих разрядах. Из сравнительного анализа литературных данных предпринята попытка определить параметры разряда, при которых обеспечиваются максимальные значения степени разложения углекислого газа и энергетическая эффективность для конкретного устройства. Максимальные значения степени разложения сухого углекислого газа 40 % и энергетической эффективности 32 % достигаются в разрядных устройствах при силе тока от 10 до 100 мА, удельной мощности от 0,2 до 3,6 Вт/см, приходящейся на единицу длины положительного столба, при средних (50–60 Торр) и атмосферном давлениях в дозвуковом протоке газа с объёмным расходом 300 см3/с. Перспективными могут быть разрядные устройства, в которых для утилизации углекислого газа применяется импульсно-периодический (в диапазоне от несколько десятых долей до несколько десятков кГц) тлеющий разряд атмосферного давления.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400